Лекции по Вычислительным системам, сетям и телекоммуникациям   

10. Построение телекоммуникационных систем на физическом уровне модели OSI

10.4. Оптоволоконные кабельные каналы

Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель – это принципиально иной тип кабеля, информация по которому передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.

Рисунок 10.7 - Оптический кабель с профилированным сердечником

Рисунок 10.8 - Оптический кабель, со свободной укладкой оптических модулей

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля. Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 – 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна.

Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 10 12 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля. В случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нет конкурентов.

Рисунок 10.9 - Структура оптоволоконного кабеля для внутриобъектовой прокладки

(а - Simplex, б - Duplex Zipcord, в - Duplex Heavy Duty)

Рисунок 10.10 - Структура оптоволоконного кабеля для наружных работ

(а - Distribution, б - ДПЛ, в - ДПС)

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки. Самый главный из них – высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты.

Рисунок 10.11 - Коннектор и соединитель для оптического волокна

Также надо помнить, что использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.

Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:

-       многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;

-       одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.

Суть различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.

Рисунок 10.12 - Многомодовый (а, б) и одномодовый (в) оптоволоконные кабели

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны.

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30–50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2–5 км. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5–20 дБ/км. Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4—5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.

Многомодовый кабель – это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее.

Типовые характеристики различных оптико-волоконных кабелей приведены в таблице 10.2.

Таблица 10.2 - Типовые характеристики различных оптиковолоконных кабелей

Тип волокна

Диаметр ядра
[мкм]

Диаметр клэдинга
[мкм]

А

Затухание
[дБ/км]

Полоса пропускания [МГц/км]

Длина волны

850

1300

1550

 

Одномодовое

9,3
8,1

125
125

0,13
0,17

 

0,4
0,5

0,3
0,25

5000 для 850 нм

Со сглаженным индексом

50
62,5
85

125
125
125

0,2
0,275
0,26

2,4
3,0
2,8

0,6
0,7
0,7

0,5
0,3
0,4

600 для 850 нм;
1500 для 1300 нм

Ступенчатый индекс

200

380

0,27

6,0

   

6 при 850 нм

В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны. За счет этой техники удалось в 16-160 раз увеличить широколосность канала из расчета на одно волокно. Схема мультиплексирования показана на рис. 10.13.

На входе канала сигналы с помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число волокон на входе и выходе может достигать 32 и более (вместо призм в последнее время используются миниатюрные зеркала, где применяется 2D-развертка (или 3D) по длине волны). Разработка технологии получения особо чистого материала волокон позволила расширить полосу пропускания одномодового волокна до 100 нм. Полоса одного канала может лежать в диапазоне от 2 до 0,2 нм. Эта технология в самое ближайшее время расширит скорость передачи данных по одному волокну с 1 до 10 Тбит/с.


Рисунок 10.13 - Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне


Рисунок 10.14 - Схема многоканального мультиплексирования с делением по длине волны в оптическом волокне. TE - терминальное оборудование; L ‑ лазер; M/D ‑ оптический мультиплексор-демультиплексор

Рисунок 10.15 - Схема перенаправления оптических информационных потоков

Для осуществления требуемой маршрутизации часто бывает нужно в коммутационном узле сменить длину волны потока. Схема этой операции показана на рис. 10.16, a - для OADM (optical adddrop multiplexer), рис. 10.16, b - для оптического кросс-коммутатора OXC (optical cross-connect), рис. 10.16, c - для OXC со сменой длины волны.


Рисунок 10.16 - Схема перенаправления оптических информационных потоков со сменой и без смены длины волны



*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.